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原文传递锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验装置及方法

专利名称：	锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验装置及方法
摘要：	本发明公开了一种锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验装置及方法。该试验装置由加载装置、监测装置、以及试验材料加工装置三部分组成；所述加载装置为多场耦合微机电液伺服岩石三轴压力机；监测装置包括声发射检测系统、智能低电阻测试仪、非金属超声波仪、动静态声发射一体机、高速摄相机、应变片、聚乙烯绝缘板、导电铜片、声发射探头、导线、数据处理器、计算机。本试验装置及方法利用了材料的透明特性，使得锚杆对围岩的受动静载作用下的阻裂机理更直观地反映出来，改善了通过声发射或CT扫描等监测设备在信息转换过程中的失真问题，对岩体受动静载荷作用下的裂隙发育状况及锚杆阻裂机理的研究具有重要意义。
专利类型：	发明专利
申请人：	太原理工大学
发明人：	王朋飞;刘佳男;郝晨良;刘镇书;陈可夯;张建利
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T08:00:00+0805
申请号：	CN201911404113.7
公开号：	CN111122323A
代理机构：	太原市科瑞达专利代理有限公司
代理人：	申艳玲
分类号：	G01N3/08;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/08
申请人地址：	030024 山西省太原市万柏林区迎泽西大街79号
主权项：	1.一种锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验装置，其特征在于：由加载装置、监测装置、以及试验材料加工装置三部分组成；所述加载装置为多场耦合微机电液伺服岩石三轴压力机；监测装置包括声发射检测系统、智能低电阻测试仪、非金属超声波仪、动静态声发射一体机、高速摄相机、应变片、聚乙烯绝缘板、导电铜片、声发射探头、导线、数据处理器、计算机；透明岩体模型位于压力机的上、下压板之间，在压力机的下压板上方垫上聚乙烯绝缘板，将透明岩体模型上、下端面贴好导电铜片，并放置到聚乙烯绝缘板上，在透明岩体模型上方设置同样的聚乙烯绝缘板；在透明岩体模型的前端面和右端面中央分别贴上应变片；智能低电阻测试仪、非金属超声波仪、动静态声发射一体机、高速摄像机等监测装置放置在压力机前方，通过导线将应变片与应变数据采集仪、导电铜片与低电阻测试仪进行连接，将声发射和超声波的传感器与透明岩体模型耦合连接，然后与数据处理器及计算机相连接。 2.根据权利要求1所述的锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验装置，其特征在于：所述多场耦合微机电液伺服岩石三轴压力机，能够提供最大100MPa的压力并且能够实现随某一波形变化的动态加载过程。 3.根据权利要求1所述的锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验装置，其特征在于：所述长方形模具为钢制模具，内部尺寸为 100mm×100mm×200mm。 4.一种锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验方法，采用权利要求1~3任一项所述的锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验装置，其特征在于：包括以下步骤：透明岩体模型加工完成后，将透明岩体试样上下端面贴好导电铜片，并放置到聚乙烯绝缘板上，并在透明岩体模型上方放置同样的聚乙烯绝缘板；然后将其放置在加载台上，在透明岩体试样的前端面和右端面中央分别贴上应变片；智能低电阻测试仪、非金属超声波仪、动静态声发射一体机、高速摄像机放置在压力机前方，通过导线将应变片与应变数据采集仪、导电铜片与低电阻测试仪进行连接，将声发射和超声波的传感器与透明岩体模型耦合连接，并最终都与数据处理器及计算机相连接；采用多场耦合微机电液伺服岩石三轴压力机对透明岩体模型进行试验，并通过监测装置记录数据。 5.根据权利要求4所述的锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：第一步：准备所需要的材料，包括透明岩体所需材料、微型锚杆、垫片、树脂药卷、小型应力环若干以及打锚杆用的小型手电钻；第二步，配置透明岩体材料：根据岩石力学试验得到的强度参数和相似理论，按照相似比计算相似模拟材料，所述制作透明岩体所使用的原材料包括液体石蜡、正十三烷溶液及硅粉；用天平将液体石蜡、正十三烷溶液及硅粉，得出满足相似比折算出来的强度的透明岩体材料；第三步，微型锚杆选型：根据各类材料的强度参数和相似理论确定微型锚杆选用木条，垫片选用内圆外方的铝制小垫片；第四步，试件浇筑成型：将配比好的透明岩体原料倒入搅拌桶中充分搅拌 2 分钟，使三种原料混合均匀；之后将长方体模具放置于振动台上，将料浆分三次倒入长方体模具中，振动 2 分钟后，便完成了试件的浇筑成型；第五步，脱模风干与打磨：24 小时后，料浆固结完全，并具有符合强度相似比的力学强度，拆去模具，置于通风处，定期养护，自然风干；风干后用磨石机将试件上下两端面磨平，要求试件两端面不平行度不得大于 0.01mm ，试件上下端面垂直于其四个侧面，最大偏差应不大于 0.25°，试件四个侧面应光滑而平整，相邻侧面两两相互垂直；按上述步骤制作长方体透明岩体模型 2 个，编为对照组1；第六步，试件预压裂：将多场耦合微机电液伺服岩石三轴压力机加载速度设置为0.2mm/min ，在对照组1的两个试件风干脱模并打磨后进行单轴压缩直至试件压裂破坏；利用高速摄像机分析压缩过程中试件内裂隙的分布及扩展状况；第七步，制作预制裂隙试件：根据第四步所述的试件浇筑成型过程以及第六步得到的裂隙数量及分布状况，在每次料浆倒入模具时埋入与上述裂隙数量相同的碎纸片，且碎纸片形状与裂隙形状相同，以达到模拟岩体原生裂隙的目的；第八步，锚固：料浆在模具中凝固半小时后，将开始硬化的料浆沿模具表面刮平，选用木条模拟微型锚杆，分别用二、三、四、五根木条分单双排插入试验组中，模拟锚杆支护透明岩体模型，外露段垫上小垫片，拧紧螺母以模拟托盘并施加预紧力；第九步，静载作用下的单轴压缩试验：将多场耦合微机电液伺服岩石三轴压力机加载速度设置为 0.2mm/min ，在试验组的试件的前端面和右端面中央贴好应变片后依次放置在压力机上的聚乙烯绝缘板上，并在试件上端面放置相同的聚乙烯绝缘板，进行单轴压缩实验；试件加载至完全破坏后，利用监测装置的监测数据得到试件全应力应变曲线以及冲击能量指数、弹性能量指数、裂隙扩展过程试验结果数据；第十步，动载扰动下的单轴压缩试验：利用多场耦合微机电液伺服岩石三轴压力机对试验组5至试验组8的透明岩体模型进行动态扰动下的单轴压缩试验；将多场耦合微机电液伺服岩石三轴压力机加载速度设置为 0.01mm/s，加载到试件单轴强度的75%～80%，使试件能保持高应力状态，再控制试验机以正弦脉冲分布的应力波形式对试件进行动态扰动，冲击速度最小值定为 0.1mm/min ，最大值定为 0.5mm/min ，其持续作用延时T为 2min；在T/2 时冲击速度达到最大值与实验室的加载条件相同。 6.根据权利要求5所述的锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验方法，其特征在于：制备透明岩体材料的原料质量配比为：液体石蜡：正十三烷溶液：硅粉=1：（0.7-0.9）：（1.1-1.3）。 7.根据权利要求6所述的锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验方法，其特征在于：制备透明岩体材料的原料质量配比：液体石蜡：正十三烷溶液：硅粉=1:0.855:1.2，此时透明岩体材料性能最佳，透明度最好。 8.根据权利要求5所述的锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验方法，其特征在于：所述微型锚杆的尺寸为直径 3.17mm、长 85~100mm；所述锚杆在锚杆尾部杆体设计螺纹段，通过拧紧螺母对锚杆施加预紧力，更接近真实锚杆，螺纹段长度为15mm，外露5mm；所述垫片为内圆外方结构，其尺寸为：内径4mm、外边长16mm、厚度1mm。 9.根据权利要求5所述的锚杆对围岩动静载荷作用下阻裂机理的试验方法，其特征在于：按第一步到第五步的方法制作长方体透明岩体模型18 个，每 2 个一组，编为对照组2和试验组1~试验组8；其中对照组1中试样用来确定透明岩体试样裂隙数量及分布状况，为对照组2预制裂隙提供参考；对照组2中的两个试样分别用来模拟无锚固状态下岩体受静载和动载时的裂隙扩展情况；试验组1~试验组4中的试样用来模拟不同锚固数量条件下岩体受静载时的裂隙扩展情况；试验组5~试验组8中的试样用来模拟不同锚固数量条件下岩体受动载时的裂隙扩展情况。
所属类别：	发明专利